正逆向混合技術應用與設計創新課程的建設

綦曉倩， 田松齡， 張 淼， 汪文津， 王洪達

（1.天津城建大學控制與機械工程學院，天津 300384；2.天津微深聯創科技有限公司，天津 300384）

0 引 言

在全球新一輪科技革命與產業變革孕育發展背景下，我國提出了“中國制造2025”“互聯網+”“一帶一路”等一系列重大國家戰略，以推進新技術、新業態、新產業為特點的新經濟蓬勃發展。面向未來技術和產業發展的新趨勢和新需求，世界高等工程教育面臨新機遇、新挑戰［1］，我國高等工程教育的改革發展也已站在新的歷史起點，但就目前來看，仍然面臨諸多問題，例如工科教育理科化，工程人才綜合實踐能力缺乏，工科教育的核心能力定位不明確，所學知識技能與社會發展和產業需求不完全契合［2］等，人才培養瓶頸對我國未來工業的發展和綜合國力的提升形成了巨大阻礙。未來20年，技術與產業變革趨勢下的工程“新業態”將給我國工程科技人才培養帶來新要求［3］。

在機械學科中，設計創新類課程一直以來都是機械類專業的基礎課程，內容涉及知識面寬、知識點多，綜合性強且與實際工程緊密結合。但在傳統的教學過程中，教師過于重視理論教學，缺乏對學生創新思維培養和工程實踐能力的訓練，隨著高等教育改革的不斷深入和發展，針對設計類課程的改革建設已經刻不容緩。

1 正逆向混合技術與設計創新課程改革

美國麻省理工學院、瑞典查爾姆斯技術學院等4所大學提出了CDIO工程教育理念［4］，CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）4個環節，這也是說明了工程教育的核心是“實踐中學習”和“基于項目教育和學習”［5］。

隨著制造業的快速發展和客戶要求不斷提高，產品更新迭代越來越快，這對設計及開發提出了更嚴苛的要求。為了適應先進制造技術的發展，需要一種新的技術方法將實物快速轉化為三維CAD模型，在此基礎上進一步采取正向創新設計。這種從實物樣件獲取產品數字模型的相關技術，已發展成為CAD、CAM中的一個相對獨立的范疇［6］。

在傳統的設計教學中一般都采用正向設計的方法，該方法一直遵循著嚴謹的系統化開發規劃流程，如圖1所示。正向工程是從挖掘用戶需求、發現市場機會開始，篩選最優設計方案，進行產品樣機試制，止于產品的批量化生產、銷售和交付，是一個從無到有的過程，而整個過程偏向于關注設計方案的創新性。

圖1 正向設計流程

逆向設計，即逆向工程（Reverse Engineering，RE），是一種新興的計算機輔助設計，也稱反求工程［7］。在先進信息技術不斷發展的背景下，誕生出新的CAD模型獲取與分析技術，通過整合這些新技術，便產生了逆向設計。逆向設計與傳統的正向設計相反，它是從實物到CAD建模的過程，如圖2所示。

圖2 逆向設計流程

Hoschek等［8］系統介紹了逆向工程的方法和工具，之后，逆向設計的方法在工程實踐領域得到了一系列研究和應用。Gadola等［9］提出一種將CAD及CAE軟件工具集成的方法，并運用到汽車工程實踐中。劉杰等［10］以某車型為例，通過逆向工程對曲面質量及優化進行分析，具有一定的實用意義。王春香等［11］針對汽車懸架中彎臂逆向設計效率低和復雜曲面設計難度大等問題，通過分析該零件的形狀特征，研究其實體逆向設計方法，該方法為汽車懸架中一些復雜鑄件的逆向設計提供了一種真實可行的設計思路，同時能夠縮短此類零件設計和改進的周期，加快產品的正逆向研發速率。黃加福［12］對打蛋器支架利用逆向工程方法進行設計改造，結果表明，該方法可實現設計精確度的提升。近年來，正逆向混合設計的方法也在工程中得到進一步應用，李衛民等［13］以發動機氣缸蓋和氣缸體為例，重點研究正、逆向技術在模型重構中的技巧以及注意事項，此方法有效縮短產品研發周期、提高逆向工程效率、加快先進技術的消化吸收。陳建洲等［14］采取正逆向結合的設計思想對汽車零部件的參數化逆向設計建模進行研究，該方法具有進一步參數化的修改能力，能夠為后續產品的創新和優化設計提供基礎，對提高汽車零部件新產品開發的速度和質量具有重要意義。王春香等［15］運用基于點云的自動特征識別與面片草圖的標準化繪制對傳動軸的連接處以及裝配孔處進行參數化修正，最終完成實物逆向，同時驗證了該混合建模方法的準確性和可行性。

目前，很多國內學者都在關注逆向技術在教學改革中的優勢，楊雪榮等［16］針對逆向工程技術課程特點開展基于自主式項目驅動的教學方法改革及探索，旨在培養學生自主學習、工程實踐及創新能力。夏紅梅等［17］在實踐訓練中引入逆向工程測量技術，該訓練方法提升了學生綜合運用現代設計技術方法的能力，增強了工程素質，提高了就業能力。成思源等［18］提出了面向產品創新設計的逆向工程技術實驗，對提高學生的創新意識和設計能力具有重要的促進作用。俞彥勤等［19］通過設計三維造型及逆向工程實驗和熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling，FDM）增材制造實驗，該教學模式既體現了“以學生為中心”的教學理念，又有利于培養學生的科技創新意識，在實際教學應用中取得良好效果。

因此，在深入研究CDIO工程教育理念及新形勢下企業對人才素質的要求后，提出“機械工程+”設計創新類課程的改革方案，通過前期在課堂中完善教學內容，引入創新技法及先進制造技術等新知識，優化教學方式方法，在第2課堂中，依托學校實驗室和實踐基地平臺，與企業建立校企合作關系，引進企業技術產品，綜合運用正向、逆向混合設計與快速成型技術，如圖3所示，合作開發探究性設計與實驗實踐項目，以真題進行工程實踐培訓，形成課程特色。與此同時，通過組織、指導學生參加相關專業競賽及公司實習等形式鞏固所學，實現3種課堂模式的貫通。在此過程中，以項目研究為引領，深層次開展課程建設，引導學生綜合運用現代設計理論方法與技術對復雜工程問題的探究，培養知理論、懂操作、能實踐的應用型人才。

圖3 混合設計流程

2 正逆向混合技術設計創新課程的建設

在第1課堂中，教師主要進行逆向設計與快速成型制造技術的相關知識、技術、應用案例講解，也可邀請企業技術人員為學生進行創新設計與工程實踐應用培訓，建立系統化、多樣化、特色化的理論教學體系；第2課堂為實踐教學，依托產學研協同育人基地平臺，進行三維掃描綜合訓練、快速成型技術綜合訓練，以企業實際項目或教師科研項目為真題，開展正逆向混合技術產品開發實踐，培養學生的工匠精神，真正把所學、所練用在綜合型的工程實踐當中，發揮學生主體作用，有效培養學生主動學習、工程實踐及創新能力；最后在第3課堂中通過頂崗實習、參加國內外專業競賽等途徑，將知識和技能進一步鞏固完善，建立科學嚴謹的考核與評價體制，3種課堂的學習效果相輔相成，環環相扣，評價體系也隨著學生能力的提升不斷優化。課程體系建設如圖4所示。

圖4 課程體系建設方案

3 正逆向混合技術教學實踐

教學實踐以企業實際開發項目為題，學生通過課堂中的理論教學，在充分了解逆向工程原理和關鍵技術知識后，選取汽車發動機渦輪為實驗操作對象，采用正、逆向混合設計的方法，并利用快速成型技術完成產品創新后的試制優化，其流程大致如圖5所示。

圖5 發動機渦輪正逆向混合設計流程

3.1 發動機渦輪點云數據采集

數據采集是指通過特定的測量方法和設備，將物體表面形狀轉換成幾何坐標點。該階段學生根據對三維掃描儀的工作原理知識的掌握程度，進行產品自由曲面的參數化處理實踐，充分發揮逆向設計優勢，而三維掃描技術在此階段的應用也尤為重要。

實操采用VisenTOP非接觸結構光測量設備對物體表面進行數字點云模型測量。非接觸式測量采用三角測算原理，對復雜物體表面數據的采集具有很強的優勢。工業級三維掃描的大致工作方式如圖6所示，在實驗中，首先將VisenTOP非接觸式結構光三維掃描儀與電腦（PC）相連，再接入自動轉臺系統，然后安裝VisenTOP Studio，各硬件及軟件安裝完畢后，校準相應型號，恢復默認參數，即可進行點云數據采集，如圖7所示。

圖6 三維掃描儀及轉臺線束連接方法示意圖

圖7 三維掃描設備進行點云數據采集

3.2 發動機渦輪掃描數據處理及修復

掃描數據處理是指將工業級掃描設備掃描后得到的三維點云數據處理成符合逆向設計需求的三角網格模型，通過該階段的學習和實踐，讓學生熟練掌握如何使用掃描儀獲取不同外形的產品點云數據，尤其是具有復雜曲面的產品，滿足原始設計需求，并利用軟件進行數據處理及后續的逆向建模技術。

點云處理常用軟件為Geomagic系列軟件，在處理階段，采用Geomagic Warp軟件。首先，進行統一采樣［見圖8（a）］，完成后，選擇其中的非連接項或者是體外孤點處進行刪除處理［見圖8（b）］，減少噪音后［見圖8（c）］，再進行封裝，即可完成點云處理步驟。

圖8 數據點云處理

接下來對渦輪進行三角片體處理，進一步優化數據。主要采用網格醫生、填充孔等功能，填充孔又包括選擇全部填充和選擇單個孔填充，進行處理修復（見圖9）。

根據產品零件特點建立特征區域，然后將劃分好的區域進行特征對齊，控制住零件的6個自由度，即可完成對三維點云數據的后處理工作。該階段對掃描操作的正確性、設計數據的準確性、處理結果的完整性要求極高，學生可得到充分的技術操作鍛煉。

3.3 發動機渦輪正逆向混合設計

正逆向混合設計是根據掃描數據處理后的三角網格模型重新構建實體數據并加以還原和創新，常用軟件有很多，如CATIA、UG、Proe、Geomagic Design X等。實驗中選用CATIA軟件進行混合設計處理。

該環節首先需要導入三角網格，根據坐標系進行平面切面，獲取主體截線，再根據截線進行旋轉放樣，得到主體實體數據；在此期間，渦輪葉片則需要采取高精度擬合調面的方式進行曲面拓撲處理，切面后最終完成實體建模，如圖10所示。

圖10 產品混合設計實驗

該階段不僅可以鍛煉學生的軟件應用能力、動手操作能力，還可培養學生的創新設計理念和意識，在逆向擬合和正向重構的過程中不斷深入思考，一起討論分析，提高積極性，及時發現問題，解決問題，同時也能培養團隊在工作中細致嚴謹的態度，分工合作、齊心協力、勇于突破的精神。

3.4 三維全尺寸檢測

所謂三維全尺寸檢測，即將三維掃描后處理得到的三角網格數據和逆向設計建立實體模型進行3D比較和形位公差等全尺寸分析，確定整體偏差，該過程充分體現了正逆向混合設計的科學化、精確化。一般實驗流程是：分別將三維數模和三維掃描數據進行導入，經過初始對齊后，根據具體情況選擇不同的對齊方式，如最佳擬合對齊、特征對齊、定位點系統（The reference point system，RPS）對齊，再將產品零件模型和實際零件之間進行自動的3D比較，如圖11所示。得出比較點后，可獲取不同位置的尺寸偏差情況，如表1所示，顯示模型外表面實物和設計之間的差值，該數據可以作為實物在鑄造時表面的變形、材料的收縮量及材料選用參考。

圖11 3D比較整體誤差分析

表1 3D比較在不同位置的誤差值mm

通過該階段檢測過程的實驗，充分展現了企業生產實踐中的嚴謹性、完整性、系統化，使學生進一步理解在復雜工程問題解決方案實施過程中應該承擔的責任和義務，從而樹立良好的職業道德素養。

圖12為修改后的渦輪與原始渦輪數據之間的對比差值，通過這些差值，可以計算出修復的變化量；對變化量分析過后，在設計中調整變化量值的大小，可得到最優結果。通過表2可以看出，部分關鍵尺寸的偏差，這就是通過逆向設計之后的正向創新設計，再結合實物使用過程中的不足，在設計上對部分關鍵尺寸進行改進，之后進行系統的有限元分析，達到升級產品的目的。

表2 關鍵尺寸數據誤差值

圖12 關鍵尺寸的分析

以設定平面截取3D比較后的結果，可以得到二維平面圖，2D比較結果一般是在所需的關鍵位置測量其誤差，圖13顯示最后生成的形位公差，得出最終檢測報告。通過表3可以看出局部尺寸的變化，對于非關鍵尺寸可以做些輕量化設計，改進整體渦輪的重量，節約成本。

表3 2D比較各種位置的誤差值 mm

3.5 汽車發動機渦輪有限元分析

該階段主要針對渦輪在使用過程中各部位的沖擊力和受力面進行實驗分析，以便在產品創新設計中改善其原有的結構問題。從計算的線性和非線性的角度可以把結構分析分為線性和非線性分析，從載荷與時間的關系又可以把結構分析分為靜力分析和動態分析，此實驗著重讓學生掌握模型的靜力分析。

靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結構的效應，不考慮慣性和阻尼的影響，分析過程中結構的幾何參數和載荷參數，去掉分析中所有的非線性項。

靜力學分析的基本步驟：

（1）建立三維模型。建立結構的有限元模型，用ANSYS軟件進行靜力分析，如圖14所示。在此，有限元模型建立是否正確、合理，直接影響到分析結果的準確性、可靠度。

圖14 模型網格化處理

（2）施加載荷和邊界條件，求解。在上一步建立的有限元模型上施加載荷和邊界條件并求解，這部分要完成的工作包括指定分析類型和分析選項，根據分析對象的工作狀態和環境施加邊界條件和載荷，對結果輸出內容進行控制，最后根據設定的情況進行有限元求解。

（3）結果評價和分析。求解完成可查看分析的結果數據，包括節點位移、導出數據、節點單元應力、節點單元應變、單元集中力、節點反力等（見圖15）。

圖15 靜力分析結果數據

針對實體模型數據正逆向混合設計后對應力整體變形量的數據分析，得知修復后的渦輪數據在靜力分析上（結構、載荷、邊界約束）符合受力變化的要求。在同種材料情況下，不同位置對應受力變化，對應比較明顯的是位置1和7、位置2和8、位置6和12（見圖16），其最大軸力：54 662 N；剪力：-33 937 MPa；彎矩：-7.180 N·m；同時，也滿足其材料屬性，硬度HB200～231，抗拉強度350 MPa等。除此之外，還需對分析材料進行選擇，一般要根據實際使用情況、材料的變化量和收縮量及強度要求，提供相應變化數據，為最終的選材提供相應的參考值。

圖16 不同位置的對應受力變化

3.6 快速成型技術進行產品試制

產品試制一般采用工業級3D打印（增材制造）的方式進行產品快速成型制造。實驗中對渦輪試制采用金屬3D打印——選擇性激光燒結技術。

選擇性激光燒結法（SLS），又稱為選區激光燒結。它的原理是預先在工作臺上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），激光在計算機控制下，按照界面輪廓信息，對實心部分粉末進行燒結，然后不斷循環，層層堆積成型，如圖17、18所示。

圖17 金屬粉末激光燒結過程

圖18 金屬3D打印試制 樣品

根據產品試制結果，記錄設計中的各類問題，后續進行深入測試。該項目已結題，并在完成后交付至企業。

4 結 語

新形勢下未來社會需要的是掌握交叉學科知識、具有創新思維和能解決復雜工程問題的高素質人才。在機械類的設計創新課程改革與建設中，提出“教學+實踐+競賽”三課堂貫通模式，基于現代三維數字化技術的快速發展，加強數字化信息技術與教學的深度融合，將正向設計與逆向設計結合，取長補短，使學生掌握在原產品基礎上的快速改進與不斷創新的設計方法。

以任務驅動的教學模式能使學生更好地掌握和鞏固書本知識，在實踐過程中，通過逆向設計對原有實樣進行高精度重建，在此基礎上進行二次創新設計、有限元數據分析等實操鍛煉，在產品試制上采用快速制造的方式，整體上縮短了產品研發周期，提高效率，控制成本。該教學模式有利于學生盡早適應企業的生產運作模式，更好掌握專業技術人員所必備的基本知識，為今后進入企業工作打下堅實的基礎。

在未來的教育教學改革中，會持續開發新的專業教學和實訓項目，依托實踐基地及校企協同育人平臺，建立大學生創新實踐項目庫，以項目為驅動，產品創新為導向，讓學生盡早接觸工程化訓練，深入培養創新能力和工程實踐能力。